اكتشف باحثون في الجامعة العليا للاقتصاد ومعهد تركيب البتروكيماويات التابع للأكاديمية الروسية للعلوم طريقة للتحكم في لون وسطوع الضوء المنبعث من العناصر الأرضية النادرة. عادةً ما يكون توهج هذه العناصر متوقعًا بدرجة كبيرة. على سبيل المثال، عادة ما تنبعث أيونات السيريوم الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.
ومع ذلك، فقد أثبت العلماء أن هذا الانبعاث يمكن تغييره. ومن خلال خلق بيئة كيميائية محددة، تسببوا في إصدار أيونات السيريوم ضوءًا أصفر بدلاً من الضوء فوق البنفسجي المعتاد. قد تساعد هذه النتائج في تطوير مصادر الضوء المتقدمة وتقنيات العرض وأنظمة الليزر. ونشر البحث في مجلة المواد البصرية .
تلعب العناصر الأرضية النادرة دورًا مهمًا في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ومصابيح LED والمواد الفلورية لأنها تنبعث منها ضوءًا بألوان دقيقة. تنبع هذه القدرة من سلوك إلكترونات العناصر الأرضية النادرة أثناء امتصاصها للطاقة وإطلاقها.
عندما تمتص الذرة الطاقة من مصدر ما، مثل الضوء أو التيار الكهربائي، يقفز أحد إلكتروناتها إلى مستوى طاقة أعلى. هذه الحالة المثارة غير مستقرة. وبعد فترة قصيرة، يعود الإلكترون إلى مستوى طاقته الأصلي ويطلق الطاقة الزائدة على شكل ضوء. وتسمى هذه العملية التلألؤ.
التحولات المدارية واستقرارها النموذجي
في العناصر الأرضية النادرة، يتم إنتاج التوهج عن طريق التحولات الإلكترونية بين المدارات 4f (المنطقة المحيطة بالنواة حيث يمكن أن تتواجد الإلكترونات). عادةً ما تكون طاقة هذه التحولات ثابتة، مما يعني أن لون التوهج يظل كما هو: السيريوم ينبعث ضوءًا فوق بنفسجيًا غير مرئي، بينما ينبعث التيربيوم ضوءًا أخضر.
يقع المدار 4f في أعماق الذرة وله تفاعل ضئيل مع البيئة المحيطة. في المقابل، فإن المدار 5d حساس للمؤثرات الخارجية، ولكن نظرًا لأن طاقته عالية جدًا، فإنه عادةً لا يساهم في تألق عناصر اللانثانيدات.
صور لمجمعات السيريوم المركبة وبنيتها الجزيئية. مصدر الصورة: دميتري رويترشتاين
ومع ذلك، فقد أثبت علماء من الجامعة العليا للاقتصاد ومعهد تركيب البتروكيماويات التابع للأكاديمية الروسية للعلوم أنه من الممكن تغيير لون الإشعاع عن طريق تعديل البيئة الكيميائية للمعدن. لقد قاموا بتصنيع مجمعات من السيريوم والبراسيوديميوم والتيربيوم باستخدام الروابط العضوية (الجزيئات التي تحيط بأيونات المعادن). تشكل هذه الروابط هندسة المجمع وتؤثر على خصائصه. في جميع الحالات، يتم ترتيب أنيونات سيكلوبنتادينيل الثلاثة بشكل متناظر حول المعدن.
تتكون هذه الأنيونات من ذرات كربون خماسية منتظمة ترتبط بها أجزاء عضوية أكبر، مما يعطي المجمع البنية المطلوبة. تخلق هذه البيئة مجالًا كهروستاتيكيًا محددًا حول الأيونات، مما يغير طاقة المدار 5d، وبالتالي يؤثر على طيف التلألؤ.
الكشف عن آليات التغيير
"في السابق، تمت ملاحظة تغيرات في لون التوهج، لكن الآلية الأساسية لم تكن واضحة. الآن، وبالتعاون مع زملاء فيزيائيين، أصبحنا أخيرًا قادرين على فهم الآلية الكامنة وراء هذا التأثير. لقد صممنا عمدًا مركبات ذات هياكل إلكترونية غير نمطية بين اللانثانيدات. وبدلاً من التركيز على مثال واحد، قمنا بتركيب سلسلة من المركبات من السيريوم إلى التيربيوم لنرى كيف تتغير خصائصها وتحديد الأنماط الشائعة." علق دانييل باردونوف، طالب الماجستير في قسم الكيمياء في المدرسة العليا للاقتصاد باردونوف).
في المركبات التقليدية، ينبعث السيريوم ضوء الأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية تتراوح بين 300 و400 نانومتر. في المجمع الجديد، يتم تحويل الطول الموجي للانبعاث إلى النطاق الأحمر، حتى 655 نانومتر. يشير هذا إلى تقليل فجوة الطاقة بين مستوى الطاقة 4f ومستوى الطاقة 5d. ولوحظت عمليات إعادة ترتيب مماثلة لمستويات الطاقة الإلكترونية في اللانثانيدات الأخرى التي تمت دراستها، مما أدى أيضًا إلى تغييرات في خصائصها المضيئة.
"لفهم كيفية عمل هذه العملية، عليك أولاً أن تفهم آلية نقل الطاقة. عادةً، يمتص جزيء اللجند الضوء فوق البنفسجي، ويدخل في حالة مثارة، ثم ينقل الطاقة إلى ذرة المعدن، مما يتسبب في انبعاث الضوء"، يوضح دميتري رويترشتاين، المدير الأكاديمي لبرنامج كيمياء الأنظمة والمواد الجزيئية والمؤلف المشارك في الورقة البحثية. "لكن في المركب الجديد، تختلف العملية: لا يتم نقل الطاقة مباشرة إلى الإلكترون 4f، ولكن من خلال حالة وسيطة 5d."
يعتقد الباحثون أن القدرة على التنبؤ بطيف التلألؤ ستسمح لنا بتصميم مواد ذات خصائص مرغوبة بشكل أكثر كفاءة دون الحاجة إلى التجربة والخطأ التي تستغرق وقتًا طويلاً. وهذا يمكن أن يؤدي إلى إنشاء مصادر ضوء متقدمة جديدة.
يقول فيودور تشيرنينكي، وهو طالب جامعي في قسم الكيمياء في المدرسة العليا للاقتصاد: "لقد تمكنا من توضيح كيفية تأثير البيئة الذرية بدقة على التحولات الإلكترونية وتألق اللانثانيدات". "يمكننا الآن اختيار بنية المركبات عمدًا للتحكم في انبعاث الضوء وإنتاج مواد ذات خصائص بصرية محددة."
تم تجميعها من /ScitechDaily